Estrelas massivas terminam suas vidas em explosões chamadas supernovas de colapso do núcleo. Essas explosões produzem um grande número de partículas de interação fraca chamadas neutrinos. Cientistas trabalhando no Deep Underground Neutrino Experiment, hospedado pelo Fermilab, estão procurando realizar uma medição detalhada de neutrinos de supernova. Este esforço pode levar a descobertas inovadoras em física de partículas e astrofísica, incluindo a primeira observação da transição de uma supernova em uma estrela de nêutrons ou buraco negro.

Para detectar neutrinos de supernova, O DUNE buscará principalmente reações nas quais um neutrino colide com um núcleo de argônio e se transforma em um elétron. Imagens 3D precisas dessas reações de "corrente carregada" serão registradas por detectores de partículas avançados. As imagens serão então comparadas com os resultados das simulações. Um novo programa de computador chamado MARLEY, descrito neste manuscrito, gera as primeiras simulações completas de reações de corrente carregada entre neutrinos de supernova e núcleos de argônio.

O programa MARLEY permite que os pesquisadores estudem uma variedade de questões científicas. Os físicos teóricos podem usá-lo para entender melhor o que futuras medições do DUNE podem nos dizer sobre a natureza dos neutrinos, estrelas e o universo mais amplo. Físicos experimentais podem usar MARLEY para praticar a análise de "dados falsos" de uma supernova simulada em preparação para a coisa real. Com base em técnicas de reconstrução pioneiras desenvolvidas pela primeira vez para o experimento ArgoNeuT e publicadas em Revisão Física D , a colaboração MicroBooNE realizou tais simulações recentemente. Todas essas tarefas de análise física podem ser realizadas sem exigir que os usuários do MARLEY sejam especialistas em física nuclear. Vários artigos científicos foram publicados que incluem resultados calculados com MARLEY, e mais são esperados no futuro.

Uma das informações mais úteis que os cientistas do DUNE planejam medir é a energia de cada neutrino da supernova que se espalha dentro do detector. Esses dados fornecerão uma visão sobre a forma como uma supernova se desenvolve e testarão nosso conhecimento atual sobre as supernovas. Como os neutrinos estão interagindo fracamente, isso não pode ser feito diretamente. Em vez de, os cientistas devem medir cuidadosamente e somar as energias de todas as partículas que são produzidas por uma reação neutrino-argônio:não apenas o elétron que sai, mas também quaisquer partículas que são ejetadas do próprio núcleo. Estes podem incluir raios gama, prótons, nêutrons, e às vezes aglomerados de nêutrons e prótons unidos. Uma descrição completa de cada colisão de neutrino inclui a energia e a direção do elétron, bem como detalhes semelhantes sobre as partículas nucleares ejetadas. Um novo artigo na Physical Review C explica como MARLEY fornece o primeiro modelo teórico que pode prever todas essas informações para colisões de corrente carregada de neutrinos de elétrons de supernova com argônio.